冯兆洋，张 辉，董少刚

（1.长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010；2.中国地质大学（武汉）环境学院，武汉 430074）

垃圾填埋场渗滤液地下迁移的数值模拟及其模型参数的敏感性分析

冯兆洋1，张 辉2，董少刚2

（1.长江科学院水资源综合利用研究所，武汉 430010；2.中国地质大学（武汉）环境学院，武汉 430074）

随着社会经济的快速发展，地下水的污染日趋严重，尤其是垃圾填埋场渗滤液对地下水的污染，一直是社会各界广泛关注的热点问题。利用地下水数值模拟软件GMS对松鼠岭区垃圾填埋场的渗滤液迁移规律进行了模拟，根据采样结果，将氯离子作为污染物主要成分来模拟其地下迁移和扩散的情况。结合研究区的区域地质概况和水文地质条件，选取了水平渗透系数、垂向渗透系数和孔隙度这3个主要的模型参数进行了敏感性分析。结果显示，当3个参数值都缩小0.5倍时，对氯离子浓度几乎没有影响。当3个参数值均放大到2倍后，水平渗透系数对氯离子浓度影响较为敏感，垂直渗透系数和孔隙度对离子浓度的影响很小。研究结果在一定程度上佐证了研究区地下水流模型和渗滤液污染物迁移模型的合理性和可靠性。

垃圾填埋场；数值模型；参数敏感性

污染物在土壤及地下水中的迁移、转化和积累是一个复杂的物理、化学和生物综合作用的过程［1］。目前对于各种污染物地下运移问题的研究，主要通过2种方式开展：一是通过室内土柱试验和野外示踪实验进行监测，获得污染物的实时浓度变化，分析其运移规律；二是通过建立研究区的概念模型和数学模型，进行污染物运移过程的数值模拟，进而分析污染物浓度的时空变化规律，并预测污染物未来在地下运移的可能路径和影响范围［2］。本文应用数值模拟方法真实再现松鼠岭垃圾填埋场污染物在地下的迁移过程，并对模型参数进行了敏感性分析。

1 研究区概况

1.1 区域地质概况

松鼠岭垃圾填埋场位于湖州市市区西北部杨家埠，距市区10 km。填埋场靠王母山，面对104国道，其原始地形为东、北、西三面高，向东南敞开的山坳。填埋场1991年4月开始填埋，二期工程于2001年8月竣工投入使用，填埋场占地面积15.67 hm2。填埋场的整个区域高程在2.2～171.9 m之间。周围土壤为中生界侏罗系上统黄尖组的灰色含砾晶屑熔结灰岩风华后的黄褐色黏土［3］。

1.2 水文地质条件

填埋场下方分布有新生界第四系及中生界侏罗系、古生界二叠系地层。本区第四系地层分布不甚规律，缺少全新统。上更新统下段洪积层（莲花组PLQ3）以黄色黏土、亚黏土组成，缺少砂砾层位。中更新统洪积层（之江组PLQ2）以棕红色黏土、亚黏土组成，结构紧密。第四系下覆有埋芷形裂隙岩溶水，含水层由古生界二叠系下统栖霞组（P1q）、石炭系上统船山组（C3c）、中统黄龙组（C2h）灰岩、白云质灰岩组成。第四系中、上更新统地层的土壤含水率在22.3%～2.57%之间，天然重度18.7～20.5 kN／m3，密度2.67～2.76 t／m3，孔隙比介于0.65～0.91之间，渗透系数约为4.7×10－6m／d。

场区三面环山，与单斜地层基本构成一个独立的水文地质单元。浅部孔隙水含水层与基岩孔隙-裂隙水含水层接受大气降水补给，浅层地下水一方面垂直入渗补给底部基岩裂隙含水层，另一方面从地势高处向低处排泄，于陡坎处以泉流方式出露地表，泉流量0.005～0.03 L／s。

1.3 松鼠岭垃圾填埋场水污染概况

为防止渗滤液直接流入填埋场下方的小溪，在填埋场下方挖有3个容积合计为5 341 m3污水池，通过导流以收集渗滤水［3］。区内无大型水源地，浅层地下水的开采主要来自于当地居民的生活用水，开采量较小。在垃圾填埋场运行以前，该区山谷的河水及地下水均可饮用。但自从填埋场开始运行后，处于下游沟谷区的水井大多因水质恶化而报废。

2 填埋场区地下水流动数值模拟

2.1 概念模型

研究区总体上自地表向下可概化为3个含水层：浅部孔隙水含水层、基岩孔隙-裂隙水含水层和底部基岩裂隙含水层［4］。地下水的流向基本与地形一致，从周边向沟谷方向流动，沿沟谷由北向南流动，可以概化为非均质各向异性的地下水三维非稳定流动系统。根据水文地质概念模型，选择地下水模拟软件GMS中MODFLOW模型来模拟研究区的地下水流动规律。

2.2 数值模拟软件介绍

地下水模拟系统（Groundwater Modeling System），简称GMS，是美国Brigham Young University环境模型研究实验室及美国军队排水工程试验工作站集成MODFLOW，FEMWATER，MT3DMS，RT3D，SEAM3D，MODPATH，SEEP2D，NUFT，UTCHEM等已有地下水模型开发的一个综合性图形界面模拟软件。本文研究区的地下水属于三维不稳定流，其数学模型如下：

式中：K为渗透系数（m／d）；μs为含水层单位储水系数（L－1）；H（x，y，z，t）为地下水水头（m）；H0（x，y，z，t）为地下水初始水头（m）；f1（x，y，z，t）为第一类边界Γ1上的水位（m）；W为含水层系统源汇强度（m3／（d·m2））；q1（x，y，z，t）为第二类边界Γ2上的流量（m3／（d·m））。

2.3 网格剖分

本次模拟研究采用等间距矩形网格对模拟区域进行离散化，x方向（水平方向）网格间距约39 m，y方向（垂向）网格间距为40 m。依据概念模型和岩性分布状况，模型在垂向上分为3层。平面上整个研究区剖分为1 945个单元，整个模拟区域共剖分为5 862个单元［5］。

图1 模拟区三维网格剖分Fig.1 3-D meshes of the simulated area

2.4 初始水位

在地下水数值模拟中，通常根据研究区内所有观测孔、抽水孔（井）和地表水位资料，插值获得各结点的初始水头值［6，7］。

本次模拟研究开始于垃圾填埋场填埋时刻（1991年），因此很难获得当时的观测水位。由于研究区地下水位比较稳定且模拟面积较少，根据水均衡原理，首先应用稳定流模型，模拟出初始流场，再用作模型的初始水位［8－10］。

2.5 模拟时段及模型检验

本次模拟时间段为1991年1月至2050年1月，应力期以月为单位，时间步长为1 d。由于该区没有大的开采井，地下水位比较稳定，地表水出露较多，因此在没有长期观测井的情况下，采用地表出露水位检验模型的准确性［11］。从检验结果看，模型基本上能够反映出该区地下水位的变化状态。

3 填埋场区垃圾渗滤液迁移的数值模拟

3.1 污染源强度及弥散度取值

垃圾填埋场位于沟谷之内，较容易接受降雨的补给，垃圾产液量较高。在本次模拟中，采用降雨量即是垃圾渗滤液产量的方法，粗略模拟垃圾渗滤液的影响范围［11，12］。

该填埋场填埋垃圾已逾20年，采样分析时间只是在最近几年展开。从采样分析结果来看，渗滤液中的氯离子浓度非常高，且浓度变化大。基于合理性考虑，本文采用氯离子作为保守性离子来模拟地下污染物的扩展范围，没有考虑吸附解析及其他化学作用，并将5次采样的氯离子平均浓度（5 547 mg／L）作为垃圾渗滤液的污染物浓度。

污染物迁移模拟参数见表1，表中aL为纵向弥散度；θ为土壤含水率。

表1 污染物迁移模拟参数表Table 1 Parameters of contam inantmovement simulation

3.2 模拟结果

研究区最重要的一口开采深井为永力机械厂的供水井HS119，位于垃圾填埋场下游800 m左右。

图2为井HS119所在位置浅层含水层中氯离子浓度变化曲线。从图中可以看出，垃圾填埋场运行约7年后（2 500 d），该区就受到垃圾渗滤液的影响，14年之后氯离子浓度稳定在0.25 mg／L左右。

图2 井HS119所在位置浅层含水层中氯离子浓度变化Fig.2 Change of chloridion concentration in top aquifer of well HS119 against time

图3 为井HS119所在位置深层含水层中氯离子浓度变化曲线。从图中可以看出垃圾填埋场运行14年（5 000 d）左右，该含水层受到垃圾渗滤液的影响，氯离子浓度最终稳定在7×10－6mg／L左右。

图3 井HS119所在位置深层含水层中氯离子浓度变化Fig.3 Change of chloridion concentration in lower aquifer of well HS119 against time

模拟结果显示该井明显地受到了垃圾渗滤液的影响，与采样分析的结果相吻合。

4 模型参数的敏感性分析

4.1 参数值的设置

由于该区地质条件复杂、岩性变化大，模型的弥散参数采用经验值，因此只分析3个典型参数对模拟结果的影响，即水平渗透系数、垂直渗透系数和孔隙度。本次分析采用单一变量原则，将这些参数值均放大2倍和缩小0.5倍，并与参数原值结果进行相比。模型原参数见表2。

表2 模型原参数Table 2 Originalmodel parameters

4.2 结果分析

因氯离子浓度随着深度的增加而减小，因此参数变化理论上应对上层氯离子浓度影响更加明显。因此本文只选择第一层3个网格进行分析，cell 572，cell2204，cell2868（井HS119），3个点分别位于填埋场东侧150 m、填埋场下游600 m和填埋场下游800 m左右。

综合分析图4至图6可明显看出，当3个参数分别缩小0.5倍时，它们对3个网格处的氯离子浓度变化影响很小，与模型原参数值效果基本一致。

图4 HS119采样点氯离子浓度与参数的关系Fig.4 Relationship between chloridion concentration at sampling point HS119 and parameter value

图5 Cell572氯离子浓度与参数的关系Fig.5 Relationship between chloridion concentration at samp ling point Cell572 and parameter value

图6 Cell2204氯离子浓度与参数的关系Fig.6 Relationship between chloridion concentration at sampling point Cell2204 and parameter value

综合分析图7至图9可明显看出，当参数值分别放大2倍时，垂向渗透系数和孔隙度对3个网格处的氯离子浓度变化影响很小，而水平渗透系数对氯离子的浓度影响很大。由此可见，该地区渗滤液中氯离子浓度的分布对水平渗透系数的变化较为敏感。

图7 HS119采样点氯离子浓度与参数的关系Fig.7 Relationship between chloridion concentration at sampling point HS119 and parameter value

图8 Cell572采样点氯离子浓度与参数的关系Fig.8 Relationship between chloridion concentration at samp ling point Cell572 and parameter value

图9 Cell2204采样点氯离子浓度与参数的关系Fig.9 Relationship between ch loridion concentration at samp ling point Cell2204 and parameter value

5 结 论

本文根据湖州松鼠岭地区的区域地质概况和水文地质条件，利用已建立的研究区地下水概念模型和GMS模拟软件对渗滤液中氯离子的迁移过程进行了数值模拟。选用研究区下游的观测井HS119，进行了模型参数的敏感性分析。结果表明研究区的概念模型具有一定的合理性与可靠性。

［1］ 王秉忱，杨天行，王宝金，等.地下水污染地下水水质模拟方法［M］.北京：北京师范学院出版社，1985：10－20.（WANG Bing-shen，YANG Tian-xing，WANG Baojin，et al.Approach of Groundwater Pollution and Groundwater Quality Simulation［M］.Beijing：Beijing Normal University Publishing Group，1985：10－20.（in Chinese））

［2］ ADDISCOTT T M，WAGENET R J.Concepts of Solute Leaching in Soil：A Review ofModeling Approaches［J］.Journal of Soil Science，1985，36（3）：411－424.

［3］ 潘建民.湖州市杨家埠垃圾填埋场环境污染调查及评价［J］.环境污染与防治，1996，（2）：34－37.（PAN Jian-min.Investigation and Evaluation of Environmental Protection at Yangjiabu Landfill in Huzhou City［J］.Environmental Pollution and Control，1996，（2）：34-37.（in Chinese））

［4］ NIELSEN D R，BIGGAR JW.Miscible Displacement in Soils：Ⅲ.Theoretical Consideration［J］.Proceedings-Soil Science Society of America，1962，26：216－221.

［5］ LAPIDUS L，AMUNDSON N R.Mathematics of Adsorption in Beds［J］.Journal of Physical Chemistry，1952，56（8）：984－988.

［6］ PARKER JC，GENUCHTEN M T.Determining Transport Parameters from Laboratory and Field Tracer Experiments［M］.Virginia Agricultural Experiment Station Bulletin.Blacksburg，VA：Virginia Agricultural Experiment Station，1984：84－93.

［7］ DASGUPTA D，SENGUPTA S，WONG K V，etal.Two-Dimensional Time-Dependent Simulation of Contaminant Transport from a Landfill［J］.Applied Mathematical Modeling，1984，8（3）：203－210.

［8］ MORRISON S J，TRIPATHI V S，SPANGLER R R.Coupled Reaction／Transport Modeling of a Chemical Barrier for Controlling Uranium（VI）Contamination in Groundwater［J］.Journal of Contaminant Hydrology，1995，17（4）：347－363.

［9］ FLURY M.Analytical Solution for Solute Transport with Depth Dependent Transformation or Sorption Coefficients［J］.Water Resources Research，1998，34（11）：2931－2937.

［10］PACHEPSKY Y A，CRAWFORD JW，RAWLSW J.Fractals in Soil Science［J］.Geoderma，1999，88：137－164.

［11］STEWART I T，LOAGUE K.A Type Transfer Function Approach for Regional-Scale Pesticide Leaching Assessments［J］.Journal of Environmental Quality，1999，28（2）：378－387.

［12］VANDERBORGHT J，VEREECKEN H.Review of Dispersivities for Transport Modeling in Soils［J］.Vadose Zone Journal，2007，6（1）：29－52.

（编辑：赵卫兵）

Numerical Simulation of Subsurface M ovement of Land fill Leachate and Sensitivity Analysis of M odel Parameters

FENG Zhao-yang1，ZHANG Hui2，DONG Shao-gang2
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

The worsening groundwater pollution，particularly polluted by landfill leachate has been receiving wide concerns from the society.Themovement of leachate from Songshuling landfillwas simulated with groundwater numerical simulation software GMS（Groundwater Modeling System）.Based on leachate sampling results，chloridion was determined as themain componentof the pollutantwhichmoves and spreads in the simulation.With the regional geology and hydro-geological conditions of the studied area，the sensitivity of chloridion to threemain parameters，namely horizontal K，vertical K and porosity are analyzed.The results show thatwhen the three parameters are all reduced by 50%，the chloridion concentration barely changed；whilewhen the three parameters aremagnified 2 times，the chloridion concentration aremuchmore obviously affected by horizontal K than by vertical K and porosity.The results also proved that themodels of groundwater flow and leachatemovement are rational and reliable.

landfill；numericalmodeling；parameter sensitivity

X523

A

1001－5485（2011）12－0107－05

2011-10-25

长江科学院博士启动基金（CKSQ2010077）

冯兆洋（1984-），男，山东泰安人，硕士，主要研究方向为水环境污染治理与修复，（电话）15927076004（电子信箱）fengzy1314＠126.com。